Thermosensitive Präsentation von Liganden auf Mikrogelpartikeln zur Steuerung von Bioadhäsion

• Antragsteller: Professor Dr. Stephan Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Biomaterialien ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397673471

Die Kontrolle der spezifischen Adhäsion von Zellen oder Pathogenen an Materialoberflächen durch einen externen Stimulus ist von großem Interesse in verschiedenen Bereichen der aktuellen Forschung, u.a. in der Biosensorik oder Medizin. Bereits existierende Ansätze basieren auf Stimuli-responsiven Polymerschichten, deren Funktionsweise jedoch auf unspezifische Wechselwirkungen, d.h. Änderung von Hydrophobizität, Ladung oder sterischer Abstoßung beschränkt sind. Es ist daher das Ziel dieses Projektes, "intelligente" Mikrogelsysteme mit temperaturabhängiger Präsentation bioaktiver Liganden als spezifische, stimuli-responsive Materialien und somit einen neuen Ansatz für die Steuerung biologischer Wechselwirkung an Oberflächen zu etablieren.In Vorarbeiten wurden bereits ligandenfunktionalisierte, nicht-responsive Polymerhydrogele auf Basis von Poly(ethylenglycol) hergestellt und nachgewiesen, dass die spezifische Adhäsion der Gele durch Änderung der Ligandendichte, Flexibilität der Linker oder Härte des Polymerrückgrads gesteuert werden kann. In diesem Projekt soll dieses Prinzip auf thermoresponsive poly(N-isopropylacryalamide) Mikrogele erweitert werden, so dass die Präsentation der Liganden in situ über Temperaturänderung gesteuert werden kann. Bei der Phasenübergangstemperatur des Polymers findet eine große Änderung der Oberfläche, sterische Repulsion, Multivalenz sowie der Hydrophobizität des Mikrogels statt, die dann direkt die Verfügbarkeit und multivalente Präsentation der Liganden verändern und somit zu einer Schaltung der spezifischen Bindung z.B. an Rezeptor-funktionalisierte Oberflächen oder Zellen führt. Dieses Prinzip soll mit Hilfe verschiedener Bindungs- und Affinitätsassays an drei Ligand/Rezeptorklassen untersucht werden: Biotin/Streptavidin, Mannose/Concanavalin A und Hyaluronsäure/CD44. Besonderer Fokus liegt hier zunächst auf dem Grundlagenverständnis, u.a. der Rolle der Hydrophobizität, sterische Repulsion und Affinität der Liganden auf die Schaltbarkeit des Systems. Zur Erhöhung der Bindungsspezifizität werden Kern-Schale Mikrogele erzeugt, die aufgrund der stärkeren Lokalisierung der Liganden eine verbesserte Schaltbarkeit ermöglichen. Als erste Anwendung dieser Systeme werden Mikrogelfilme generiert, die temperaturabhängig E. coli als Modelpathogen binden und wieder freisetzen können. Hierbei wird zunächst die spezifische Adhäsion der Mikrogelfilme mit Hilfe von Fluoreszenz- und Kraftmikroskopie als Funktion der Temperatur untersucht. Zusammenfassend repräsentieren die Liganden-konjugierten PNIPAM Mikrogele einen neuen Ansatz zur Schaltung der biologischen Bindungsaktivität an Oberflächen. Dieser Antrag fokussiert dabei auf Grundlagenfragestellungen, u.a. dem Einfluss der Hydrophobizität der Liganden und Polymermatrix auf den Phasenübergang der Mikrogele. In einer ersten proof of concept-Studie wird auch die Anwendbarkeit der Mikrogele für bioaktive Beschichtung untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen